拉链式快速连接风筒在长距离掘进通风中的应用

周 霖，刘心广，吴建宾，刘 涛，蔡木喜，王 凯

1兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司 内蒙古鄂尔多斯 017101

2中国矿业大学安全工程学院 江苏徐州 221116

随着煤矿机械化的不断发展，掘进工作面的长度不断增加，从而出现一系列问题，制约着煤矿向着集约化、智能化方向发展。由于掘进工作面是独头巷道，很难依靠正常的主通风机进行供风，必须依靠大功率局部通风机和高质量的风筒向掘进工作面提供新鲜风流。但在实际生产过程中，既要保障整个矿井的产能，又要解决掘进工作面的瓦斯、粉尘问题，掘进通风成为煤矿安全问题的重点和难点[1-4]。因此，笔者对超长距离掘进工作面通风问题进行探讨。

1 存在的问题

长距离掘进工作面区别于一般的巷道在于其不能形成完整的进、回风巷道。因此，掘进工作面必须通过局部通风机和高质量的风筒来把新鲜风流和污风风流隔离开来。近年来，掘进工作面的长度和断面越来越大，加剧了局部的瓦斯涌出量和粉尘，因此，对局部通风技术提出了更高的要求[5-7]。长距离掘进通风的问题主要如下：

(1) 在长距离掘进通风中，随着通风距离越来越长，风筒连接处漏风也越来越大，在后期掘进过程中，掘进工作面出现风量不足的情况。

(3) 近年来大多采用单机单巷的通风方式，随着掘进巷道的变长，煤矿往往选用大功率局部通风机，风筒前段风压较高，经常会导致风筒吹裂甚至脱节，进而导致掘进工作面无风的事故。

(4) 长距离掘进面粉尘量比较大，掘进工作面不能形成贯穿风流，并且掘进面较狭窄，很难通过通风方式排出工作面产生的大量粉尘，作业环境差。

(5) 矿井的生产和安全是相互矛盾的，在长距离通风过程中，供风和排风都很困难，要做到安全生产就必须采取一系列的措施来防护，从而就会增加生产成本，这往往与矿井的节能原则相冲突。

2 供风

2.1 局部通风

(1) 局部通风机串联通风 利用 2 台风机串联向掘进工作面供风，如图 1 所示。风机串联分为 2类：一是集中串联，如图 1(a) 所示，2 台风机摆放距离很近，通过风机的风压向工作面供风，此种方法风筒前半段的风压极大，容易发生漏风，风筒维护工作量大；二是间隔串联，如图 1(b) 所示，间隔串联就是第 2 台风机摆放在离第 1 台风机较远的位置，但是因为摆放位置的不同，间隔串联也会产生安全隐患。如图 1(c) 所示，此种间隔串联中第 2 台风机摆放在前一段风筒的负压位置，容易造成第 2 台风机吸入巷道污风，形成循环风。正确的摆放位置应该如图 1(d) 所示，第 2 台风机应该放置在前一段风筒的正压位置。

图1 串联通风示意Fig.1 Sketch of tandem ventilation

(2) 构筑风库通风 在超过 2 km 的掘进巷道中，在掘进巷道的 2 km 处或者单巷总掘进长度的 2/5处，构筑 1 个风库，利用风库作为中转容器进一步为巷道的掘进工作面供风，如图 2 所示。

图2 风库示意Fig.2 Sketch of air library

(3) 通风井 通风井是在掘进中前部施工 1 个风井，用于加强掘进断面和巷道的循环通风。风井缩短了掘进过程中的风流流动距离，污风可以及时、有效地从风井中快速排出，而不需要经掘进工作面回流排出。

(4) 双巷平行掘进局部通风 双巷平行掘进多用于采区工作面，掘进工作面的回风巷和下一工作面的运输巷。2 巷道同时掘进，一巷进风，一巷回风。在巷道延伸的过程中，每隔 50～60 m 就贯通两巷形成一条联络巷，如图 3 所示。

⑦魏金枝：《柔石传略》，丁景唐，瞿光熙编《左联五烈士研究资料编目》，上海文艺出版社1981版，第218页。

(5) 局部通风机并联通风 利用多台局部通风机同时向掘进工作面供风，此种方法适用解决工作面风量不足的问题。在实际掘进工作中，如果巷道延伸中遇到要增加工作面设备或其他情况，需要增大供风量，而原来的风机不能满足，就需要通过并联风机联合向掘进工作面供风。

图3 双行平行掘进示意Fig.3 Sketch of parallel heading with two rows

(6) 单风机单风筒通风 单风机单风筒通风技术就是用 1 台风机向单一掘进巷道供风。随着掘进巷道的增加，对风机的供风量和风压要求也必然增加，同时对风筒的选择也至关重要，风筒必须要通风阻力小，而且能承受较大风压，所以此种方法的运用多取决于设备的升级。

2.2 供风选择

结合掘进工作面实际情况，对工作面通风方式的选择如图 4 所示。

图4 工作面供风方式选择Fig.4 Selection of air supply mode on work face

3 长距离掘进巷道风筒

柔性风筒和刚性风筒是井下局部通风最常用的导风装置。通过风筒向掘进工作面源源不断的提供新鲜风流，既能保证工作人员的正常呼吸，又能冲淡工作面瓦斯。但是 2 种风筒的应用范围不同，柔性风筒一般适合于压入式通风或通风距离较长的巷道；而刚性风筒则一般适合于抽出式通风巷道，通风距离较短[8-10]。

3.1 风筒选择

回风巷道的掘进通风采用压入式局部通风机供风，所以必须选取柔性风筒作为风流通道。因为风筒的材料可以随意挑选，所以风筒性能的主要技术点就在于风筒接头的不同。目前我国大致有两固定环单反边接头、大活环单反边接头、双反边接头、活三环多反边接头、螺圈接头、快速接头软带接头 6 种形式。而拉链式快速连接风筒是近年来新出的一种风筒。下面将拉链式风筒与其他风筒作比较，为回风巷道掘进面风筒选择做参考。

图5 各类风筒接头示意Fig.5 Sketch of various joints of air duct

由于井下环境属于高温高湿，空气中又含有瓦斯，所以在风筒安全性方面要求特别严格。首先，风筒表面涂层要求不易脱落、风筒材料能够阻燃和抗静电；其次，风筒的性能要符合实际需求，比如风筒的风阻要小，漏风量要少，方便维修和管理；再次，风筒材料的强度要高，能耐得住风机的风压、耐磨、耐砸、防开缝、防拉断；最后，要方便使用，质量轻、拆装方便。

新型拉链式风筒接头如图 6 所示。它采用双反边并加长单反边设计，以及新型密封材料制作，并采用拉链室快速连接接头。相比于其他接头方式，拉链式快速接头风筒具有许多优势：①风阻低，比钢圈连接方式百米风阻降低 6% 以上；② 漏风率低，比钢圈连接方式漏风率降低 20%～30%；③结构简单，连接效率高，连接用时短；④ 风筒质量减轻，钢圈质量减小，降低了工人劳动强度；⑤ 接头牢固，满足灾变应急通风要求；⑥ 承受风压高，满足长距离大断面掘进工作面需求。

图6 新型拉链式风筒接头Fig.6 New-type zipper-typed quick connecting air duct

3.2 数值模拟

为研究风筒中风流的流动形态，采用 ANSYS 软件对风流进行模拟，以便快速测量风筒风量。风流在风筒中流动速度和压力变化相似，利用 ANSYS 软件，建立一个长 100 m、直径为 1 000 mm 的直风筒，其断面为圆形、面积为 0.282 6 m2，进口速度设定为 5 m/s。采用 RNGκ-ε双方程湍流模型，根据数值模拟的需要，将模拟条件进行了一定的简化并对流动风流做一定的假设：①假设内风流为不可压缩气体；② 假设风筒风流内无热源，且不考虑周围的热辐射；③不考虑由于密度差而产生重力和浮升力的影响；④ 空气流动为稳态紊流，满足 Boussinesq 假设。模拟结果如图 7 所示。

图7 风筒壁面压力分布Fig.7 Distribution of pressure on wall of air duct

由图 7 可以看出，风筒的风压随风筒长度的变化按规律递减。所以风筒在供风时，风机出口处风筒壁面受压最大，做好此处的防漏风、防脱节工作对供风的安全性有极其重要的意义。风筒切面风速等矢量图如图 8 所示。

由图 8 可以看出，风筒中风流进入后在一定距离内风流做完全紊流流动，而后风流又进入一段过渡期，此时，风筒壁面风速最小，风筒截面圆心风速最大，随后壁面风速和圆中心风速差值缩小，最后进入稳定流动的层流状态，壁面风速和圆中心风速差值稳定在一定值，即形成层流流动。在层流流动中，截面圆心点的最大风速可达 6.04 m/s。笔者研究的就是处于稳定层流流动时的风速分布，从而可以快速测量整个风筒内的平均风速。

图8 风筒切面风速矢量图Fig.8 Vector diagram of air speed on tangential planeof air duct

选取风筒 50 m 处的切面作为研究对象，风筒切面的风速云图和等值线如图 9、10 所示。利用 CFDPOST 自带的 Function 功能，计算风筒截面的平均风速，得出切面的平均风速为 5.246 m/s。绘制出风速为 5.246 m/s 的等值线，如图 11 所示。

图9 风筒切面速度云图Fig.9 Contours of air speed on tangential planeof air duct

图10 风筒风速等值线Fig.10 Contours of air speed of air duct

图11 风速为 5.246 m/s 的等值线Fig.11 Contours of air speed on air speed being 5.246m/s

通过观察截面的风速等值线图发现，只需要在风速等值线图上找到风速为 5.246 m/s 的位置，就可以代表整个截面的平均风速。为了验证测点位置能够代表风筒的平均风速，又多次改变风筒进口风速大小，多次模拟出风筒出口风速等值线图。并进行风速为 5、10、15、20 m/s 的模拟试验，风筒内 50 m 处断面的平均风速分别为 10.47、15.68、20.88 m/s。计算出平均风速测点位置如表 1 所列。通过分析可以得出 1 000 mm 风筒内平均风速快速测量点为距离风筒壁面 0.140 m 的位置。

表1 平均风速快速测量位置Tab.1 Position of quick testing mean air speed

4 现场测试

在鄂尔多斯转龙湾煤矿 23201 掘进工作面进行了风筒内通风测试。首先对拉链式快速连接风筒进行性能测试，23201 回风巷掘进工作面风筒供风距离 3 600 m，配备 2×45 kW 局部通风机，拉链式快速连接风筒安装在 2 472～2 772 m 处，现场测试风筒内动压、静压、风速、温度等通风参数，计算风筒的百米风阻和百米漏风率，并与普通风筒进行比较。该风筒性能测试方案参考了 GB/T 15335—2019《风筒漏风率和风阻的测定方法》相关规范。

由于风筒 1 节长度为 10 m，每节风筒都有编号，所以风筒长度直观明了。在实际现场测定过程中，在不影响正常生产的情况下，从局部通风机处开始测定，每隔 200 m 设 1 个测点，直至掘进工作面位置。现场测定如图 12 所示。在测定过程中使用胶皮管将 JFY-4 矿用通风多参数检测仪与皮托管相连接，将皮托管垂直于风流方向插入被测风筒内平均风速的位置，直至通风多参数检测仪上面显示的风压和风速稳定时，读取并记录通风多参数检测仪检测的动压、静压、风速、温度等通风参数。依次测定至掘进工作面。

图12 现场测定Fig.12 Field testing sketch

百米漏风率

其中

式中：Δqm为风筒漏风量，m3/s；q出、q进分别为风筒出、入口风量，m3/s；k为风筒漏风率。

百米漏风率的测量不少于 3 次，取其算术平均值，实测得k100=0.011 590。

百米风阻值

其中

式中：RAB为风筒风阻，Ns2/m8；h为风筒AB之间通风阻力，Pa。

百米漏风率的测量不少于 3 次，取其算术平均值，实测得R100＝1.901 383 614。

通过对 23201 回风巷掘进工作面风筒的通风性能测试可知，风筒风量随着风筒长度有一定的递减。风筒风量随地点变化曲线如图 13 所示。风筒前 800 m的风量减少的斜率比较小，到 800 m 以后，风筒内风量下降比较快，百米漏风率R100达到 1.901 383 614。可见 23201 回风巷掘进工作面现在所用的普通风筒漏风情况严重，特别是风筒接口处，漏风量大，给风筒的日常管理带来很大的维护工作量。在 2 472～2 772 m 处，安装了 300 m 拉链式快速连接风筒。由图 13 可知，在 2 472～2 772 m 处，风筒风量减少，斜率明显比较平缓，漏风量比较小。拉链式快速连接风筒接口处使用拉链快速连接，而且不易脱落，安装维护方便，漏风量小。拉链式快速连接风筒能有效减少风筒的漏风，若全段使用拉链式快速连接风筒则能改善23201 回风巷掘进工作面风量不足的问题。

图13 风筒风量随地点变化曲线Fig.13 Variation curve of air volume of air duct with length

5 结语

通过对我国现有的 6 种长距离通风方法的工作原理和使用条件进行分析，选择了与之配备的长距离供风风筒，并安装了新型拉链式快速连接风筒，减少了长距离供风的漏风量。通过对风筒内的通风状态进行模拟，得到风筒内快速测风的最佳测量点，并在转龙湾煤矿 23201 工作面进行现场测试。测试结果显示，拉链式快速连接风筒明显优于普通风筒，减少了风筒漏风，保障了转龙湾煤矿掘进工作面的生产安全。